Cours de thermodynamique appliquée. Laboratoires d étudiants de 1 technique.

Département Aérospatiale et mécanique. Laboratoire de Thermodynamique Université de Liège Campus du Sart-Tilman - Bâtiment B49 Parking P33 B-4000 LIEGE (Belgium) tel : +32 (0)4 366 48 00 fax : +32 (0)4 366 48 12 web site : http://www.ulg.ac.be/labothap Cours de thermodynamique appliquée. Laboratoires d étudiants de 1 technique. Bancs d essai des moteurs à combustion interne. Auteur:Bernard GEORGES tel : +32 (0)4 366 48 18 email :b.georges@ulg.ac.be Dernière mise à jour : février 2006

Table de matières. 1 INTRODUCTION...4 2 RAPPEL DU PRINCIPE ET DES PERFORMANCES DU MOTEUR A COMBUSTION...5 2.1 Performances énergétiques générales...6 2.1.1 Les pertes par refroidissement... 6 2.1.2 Les pertes à l échappement.... 6 2.1.3 Les pertes par imbrûlés... 6 2.1.4 Les pertes à l ambiance... 7 2.1.5 Puissance à l arbre.... 7 3 DESCRIPTION PHYSIQUE DES BANCS D ESSAI MOTEUR...9 3.1 Banc d essai du moteur à essence Citroën XM à injection...9 3.2 Banc d essai du moteur diesel Mercédès....11 4 INSTRUMENTATION DES BANCS D ESSAI...12 4.1 Instrumentation du banc d essai du moteur essence...12 4.2 Instrumentation du banc d essai du moteur diesel...14 5 BILANS THERMIQUES...16 5.1 Rappel des principes...16 5.2 Définition et critique du choix des volumes de contrôle....16 5.2.1 Volume simple... 16 5.2.2 Volume global.... 18 5.3 Choix du volume de contrôle au niveau de l échappement...18 6 REALISATION DES BILANS THERMIQUES A L AIDE DU SOLVEUR D EQUATIONS....20 6.1 Conseils pour l écriture des équations et l utilisation du solveur...20 6.2 Set de mesures et données par défaut pour le moteur DIESEL....20 6.3 Set de mesures et données par défaut pour le moteur ESSENCE à injection....20 Notes de labos moteurs_2006.doc 2

Table des illustrations. Figure 1: Vue en coupe d'un moteur à explosion....5 Figure 2: Excès d'air en fonction de la puissance du moteur diesel....7 Figure 3: Vue d'ensemble du banc d essai du moteur XM à injection....9 Figure 4:Vue du frein hydraulique du moteur XM...10 Figure 5: Vue d'ensemble du banc d essai du moteur diesel...11 Figure 6: Vue du frein hydraulique du moteur Mercédès...11 Figure 7: Schéma d instrumentation du moteur essence XM à injection....12 Figure 8: Pertes de charge dans le circuit d'admission du moteur essence à injection....13 Figure 9: Pesée du réservoir de carburant...13 Figure 10: Schéma d instrumentation du moteur diesel Mercedes....14 Figure 11: Pertes de charge dans le circuit d'admission du moteur diesel...15 Figure 12: Illustration du bilan du refroidissement moteur...16 Figure 13: Volume de contrôle du moteur seul....17 Figure 14: Volume de contrôle englobant le circuit d injection...18 Figure 15: Mesures de température à l'échappement...19 Notes de labos moteurs_2006.doc 3

1 Introduction. Le principe du moteur à combustion interne est de transformer de l énergie fossile en énergie cinétique utilisée pour la propulsion de véhicules, la production d électricité ou autres utilisations. Pour pouvoir comprendre et caractériser le fonctionnement du processus thermique, il est nécessaire de mesurer différentes grandeurs physiques avec le moins d erreur possible. Le fascicule «Notions de mesures sur bancs d essais.» explique pratiquement les différentes mesures qui sont réalisées lors des laboratoires. Pour vérifier le niveau de précision de ces mesures, on réalise des bilans thermiques qui permettent d abord de vérifier que les premiers principes de la thermodynamique sont respectés, ensuite d estimer la fiabilité globale des mesures réalisées. En cas de bilans erronés, on peut vérifier quelles sont les mesures incorrectes, après avoir toutefois vérifié les équations utilisées pour établir les bilans. Notes de labos moteurs_2006.doc 4

2 Rappel du principe et des performances du moteur à combustion. Un mélange de combustible (essence ou diesel dans notre cas) et de comburant (oxygène de l air ambiant) est réalisé dans les proportions requises pour être injecté dans la chambre de combustion constituée par les cylindres (cf. Figure 1). Le mélange est surchauffé par compression des pistons et enflammé, soit par une étincelle provenant de bougies dans le cas du moteur à essence (banc d essai du Citroën XM), soit par autoallumage dans le cas du moteur diesel (banc d essai Mercédès). L explosion du mélange entraîne le déplacement des pistons. Un système de bielles-manivelles transforme le mouvement de translation des pistons en mouvement de rotation de l arbre moteur.celui-ci entraîne une charge résistante constituée par l inertie du véhicule, les différents frottements (par exemple l air sur la carrosserie) et résistances au roulement (roues sur le sol, rotation des engrenages et autres). Dans le cas des bancs d essai, la charge résistante est constituée par un frein hydraulique dont le principe est décrit dans le fascicule sur les «Notions de mesures sur bancs d essais.» Cylindres (chambres de combustion Arbre moteur Bielles-manivelles Figure 1: Vue en coupe d'un moteur à explosion. Notes de labos moteurs_2006.doc 5

2.1 Performances énergétiques générales. La conversion énergétique se réalise forcément avec des pertes ainsi que l on a vu dans le cours de thermodynamique. On recense principalement, en régime établi,? Les pertes par refroidissement,? Les pertes à l échappement,? Les pertes par imbrûlés,? Les pertes à l ambiance. On peut considérer que la puissance injectée, soit le maximum de puissance disponible [W], est le produit du débit massique de carburant [kg/s] par son pouvoir calorifique [J/kg]. 2.1.1 Les pertes par refroidissement. Le refroidissement du moteur est indispensable pour éviter sa destruction. Quand le débit d eau est bien ajusté, on peut estimer que les pertes sont de l ordre de 30% de la puissance injectée, que ce soit pour le moteur à essence ou le moteur diesel. Comme l eau de refroidissement est à une température moyenne de 70 à 90 C, on peut récupérer une partie de cette énergie à travers un échangeur ( radiateur de chauffage par exemple).il en résulte une augmentation du rendement global du système. 2.1.2 Les pertes à l échappement. Les gaz d échappement sortent à haute température et haute pression pour aller se détendre à l atmosphère. L énergie libérée lors de la détente et le refroidissement est perdue pour le cycle. Quand la combustion est bonne, cette perte est aussi de l ordre de 30% de la puissance injectée, pour le moteur à essence comme pour le moteur diesel. On peut, entre autres exemples, récupérer une partie de cette énergie lorsqu on utilise un turbo-compresseur pour suralimenter le moteur et injecter plus de puissance pour la même cylindrée. 2.1.3 Les pertes par imbrûlés. Dans le cas du moteur à essence, on essaie d obtenir une combustion proche de la stœchiométrie, avec le risque d obtenir des imbrûlés. Le système d injection du moteur Renault XM du banc d essai est équipé d une régulation assez sophistiquée qui empêche, en régime établi du moins, la perte par imbrûlés. Le rapport air/essence est donc très proche de la stœchiométrie ( f stoe =0.068 ). L excès d air en pratique est compris entre 0.00 < e < 0.02. Dans le cas du moteur Diesel, il est impératif, si l on veut éviter une formation exagérée de suies, d avoir un excès d air important. Dans ce cas il n a pas de pertes par imbrûlés. A vitesse de rotation du moteur constante, le débit d air aspiré est identique. La modulation de puissance du moteur est réalisée en modulant le débit d essence et l excès d air va évoluer. C est ce que montrent les résultats des tests en laboratoire sur le moteur Mercédès (cf. Figure 2 ), réalisés à une vitesse quasi-constante de l ordre de 2500 tr/m. C est un régime moteur rencontré régulièrement lorsque le véhicule circule en légère montée à 90-100 km/h. Si la pente augmente et qu on veut maintenir la même vitesse, la pression sur l accélérateur engendre une augmentation de l injection de carburant. On accroît ainsi le couple moteur. On Notes de labos moteurs_2006.doc 6

voit que l excès d air est compris entre 1.5 < e < 3.5, en diminuant quand le débit de fuel, donc la puissance injectée, augmente. En pratique, à ce moment, on observe en général de l éjection de suie à l échappement sur un moteur mal réglé. 3.5 Banc d'essai Mercédès Excès d'air en fonction du débit de fuel à vitesse de rotation quasi-constante 3000 3 2800 2.5 No e 2 2400 < N0 < 2600 tr/min 2600 No [tr/min] 2400 1.5 1 2200 0.5 2000 0.0006 0.0007 0.0008 0.0009 0.001 0.0011 0.0012 m fuel [kg/s] Figure 2: Excès d'air en fonction de la puissance du moteur diesel. 2.1.4 Les pertes à l ambiance. L eau de refroidissement circule autour des cylindres et de l huile de lubrification. La masse externe du moteur est portée à une température moyenne comprise entre celle de l eau et celle de l huile. On peut mesurer cette dernière à l aide d une sonde de température plongée dans le carter qui est une réserve, localisée en partie basse du moteur, récoltant l huile revenant des pistons et autres organes. La température moyenne d échange avec l ambiance est souvent proche de 80 à 90 C, avec des zones beaucoup plus chaudes au sommet du moteur autour des cylindres. On peut considérer que les pertes à l ambiance sont de l ordre de 10% de la puissance injectée pour les deux types de moteurs. Ces estimations ont été réalisées sur base d expériences antérieures sur différents moteurs. 2.1.5 Puissance à l arbre. Notes de labos moteurs_2006.doc 7

La puissance à l arbre est donc le solde disponible soit un ordre de grandeur de 30% de la puissance injectée. Dans le cadre des bancs d essais Mercédès et Renault, elle est convertie en frottement visqueux dans le frein hydraulique. On la mesure de deux manières :? On mesure le couple et la vitesse de rotation.? On calcule la puissance thermique dissipée dans le frein hydraulique en mesurant le débit d eau et les températures d entrée et sortie. Notes de labos moteurs_2006.doc 8

3 Description physique des bancs d essai moteur. Les composants principaux des deux bancs d essai sont décrits brièvement ci-après. Ils sont assez similaires. 3.1 Banc d essai du moteur à essence Citroën XM à injection. La Figure 3 montre une vue d ensemble du banc d essai du moteur à essence Citroën XM à injection. Arrivée d air Bloc moteur Frein hydraulique + couplemètre Réservoir d essence Figure 3: Vue d'ensemble du banc d essai du moteur XM à injection. Notes de labos moteurs_2006.doc 9

La Figure 4 montre un gros plan du frein hydraulique accouplé à l arbre du moteur XM.. Figure 4:Vue du frein hydraulique du moteur XM. La balance-couplemètre permet de mesurer le couple moteur à l aide des effets de contreréaction du frein hydraulique (cf. «Notions de mesures sur bancs d essais.»). Notes de labos moteurs_2006.doc 10

3.2 Banc d essai du moteur diesel Mercédès. La Figure 5 montre une vue d ensemble du banc d essai du moteur Mercédès avec le frein hydraulique en avant plan. Figure 5: Vue d'ensemble du banc d essai du moteur diesel. La Figure 6 montre le système permettant de mesurer le couple moteur à l aide des effets de contre-réaction du frein hydraulique et du capteur de force. (cf. «Notions de mesures sur bancs d essais.»). Bras de levier. Force. Figure 6: Vue du frein hydraulique du moteur Mercédès. Notes de labos moteurs_2006.doc 11

4 Instrumentation des bancs d essai. Elle est constituée de différents capteurs décrits dans le fascicule des notes de mesures. 4.1 Instrumentation du banc d essai du moteur essence. Le schéma d instrumentation du banc d essai du moteur essence est montré à la Figure 7. Figure 7: Schéma d instrumentation du moteur essence XM à injection. Notes de labos moteurs_2006.doc 12

Dans le circuit d injection, la perte de charge P2 entre la pression atmosphérique et le collecteur d admission est due au laminage de l air dans le papillon de réglage du débit. Elle est reportée au tube en U à l aide d un tuyau souple. (cf. Figure 8). Mesure de Figure 8: Pertes de charge dans le circuit d'admission du moteur essence à injection. Le débit de carburant est déterminé par pesée (cf. Figure 9) Figure 9: Pesée du réservoir de carburant. Notes de labos moteurs_2006.doc 13

4.2 Instrumentation du banc d essai du moteur diesel. Le schéma d instrumentation du banc d essai du moteur diesel.est montré à la Figure 10. Figure 10: Schéma d instrumentation du moteur diesel Mercedes. La perte de charge P3 entre la pression atmosphérique et le collecteur d admission est moindre que dans le cas du moteur essence car il n y pas de réglage de débit d air dans le circuit d injection. Elle est reportée au tube en U à l aide d un tuyau souple. (cf. Figure 11). Notes de labos moteurs_2006.doc 14

Mesure de pression Filtre Aspiration à l atmosphère par la tuyère. Figure 11: Pertes de charge dans le circuit d'admission du moteur diesel. Notes de labos moteurs_2006.doc 15

5 Bilans thermiques. 5.1 Rappel des principes. Les bilans thermiques et les calculs divers sont réalisés sur base des notes de cours de thermodynamique. Le choix du volume de contrôle peut conduire à des erreurs supplémentaires liées à des incertitudes de mesure ou de calcul sur les variables. On va illustrer la méthode pour le sous-système constitué par refroidissement du moteur XM en tenant compte des particularités du circuit eau. En effet, c est le débit d eau d injection, à la température t8, qui est mesuré (cf.figure 12 ) Figure 12: Illustration du bilan du refroidissement moteur. Pour rappel, on exprime le bilan des puissances en tenant compte du terme inertiel selon l expression du cours et utilisant les conventions égoïstes. On écrit l expression littérale de la puissance de manière telle que le sens soit positif si le volume reçoit cette puissance. On détermine par exemple les échanges avec l ambiance dont la température est t amb. 5.2 Définition et critique du choix des volumes de contrôle. Deux volumes de contrôle sont possibles. 5.2.1 Volume simple. Le premier (V1) englobe le moteur lui-même (cf. Figure 13 ). Pour calculer la puissance du côté eau, on doit connaître le débit. Hors comme on a dit précédemment, il est mesuré ailleurs. On doit alors écrire une équation d un nœud hydraulique pour le calculer. Notes de labos moteurs_2006.doc 16

V1 A Figure 13: Volume de contrôle du moteur seul. Soit m w le débit d eau traversant le moteur et m w,inj le débit d eau injecté dans la boucle et ressortant à l égout. On peut écrire, sans tenir compte du léger échauffement apporté par la compression de l eau dans la pompe, que : (m w - m w,inj). t7 +m w,inj. t8 = m w.t6 (bilan du nœud A) On obtient : m w = m w,inj. (t8-t7)/(t6-t7). Critique de la méthode du volume simple. Un essai particulier a donné :? T6 = 78.36 C? T7 = 89.1 C? T8 = 12.9 C avec un débit d injection égal à 0.08 kg/s. On calcule un débit de refroidissement de 0.567 kg/s, ce qui donne une puissance côté eau : Qw = 25490 W avec c w =4187 J/kg.K. Mais on a vu dans le fascicule sur les techniques de mesure que la mesure de chaque température est précise à ±0.2 K et que l erreur probable ( par calcul statistique) sur un? T est ( 0.3/?? T). L erreur probable sur le quotient de? T se calcule en considérant la racine carrée de la somme des carrés des erreurs. On obtient une erreur probable supplémentaire, liée au choix de ce volume de contrôle, de 2.8% sur la puissance soit près de 700 W!!! Notes de labos moteurs_2006.doc 17

5.2.2 Volume global. On considère un volume de contrôle englobant le circuit d injection (volume de contrôle V2 de la figure Figure 14) V2 Figure 14: Volume de contrôle englobant le circuit d injection Critique de la méthode du volume global. Dans ce cas la puissance apportée par l eau se calcule à l aide des températures t8 et t7. L erreur supplémentaire de 700W disparaît et l erreur probable sur la puissance échangée (image du? T eau ) passe de 0.3/ 11 à 0.3/76!!!. 5.3 Choix du volume de contrôle au niveau de l échappement. Sur le moteur XM, la température des gaz d échappement est mesuré à la sortie de chaque cylindre et dans le collecteur général (cf. Figure 15). On constate que la température de collecteur est systématiquement inférieure de près de 70 à 80 K de la température moyenne à la sortie des cylindres qui est de l ordre de 700 à 750 C. Notes de labos moteurs_2006.doc 18

Température de collecteur Figure 15: Mesures de température à l'échappement. La température du collecteur est beaucoup plus stable et il est tentant de l utiliser pour calculer les pertes à l échappement. Dans ce cas, on définit le volume de contrôle du moteur en incluant la portion du collecteur. Il faut tenir compte alors de l important rayonnement du collecteur à l extérieur de ce volume de contrôle. A titre d exemple, on peut calculer, en connaissant le débit de gaz, que cette puissance échangée par rayonnement et par convection, peut atteindre de 1000 à 1500W!. Notes de labos moteurs_2006.doc 19

6 Réalisation des bilans thermiques à l aide du solveur d équations. On utilise le solveur d équations (EES) pour écrire et résoudre les bilans. 6.1 Conseils pour l écriture des équations et l utilisation du solveur. On respecte la convention égoïste : l expression littérale est écrite de manière telle que l échange est positif si le volume de contrôle reçoit de l énergie. Attention au système d unités employé. Bien séparer les données et mesures de la résolution par équations littérales et ne jamais mettre les valeurs numériques des mesures dans les équations. Cela facilite énormément la lecture et les recherches d erreurs. Pour faciliter la lecture et le recherche d erreurs, il faut absolument utiliser des termes généraux qui seront ensuite décomposés dans des équations annexes, ellesmêmes pouvant être décomposées à leur tour. Ne pas hésiter à mettre des petits commentaires de liaison dans le style «avec», «et» pour architecturer les équations. Il faut écrire les équations progressivement et calculer régulièrement pour vérifier les erreurs. Sauvegarder le fichier sous un nom différent à chaque étape importante, comme par exemple itérer un numéro. Par exemple : merc_1 puis merc_2, etc Cela permet de toujours garder une partie de la solution qui tourne sans problèmes. 6.2 Set de mesures et données par défaut pour le moteur DIESEL. Pour préparer le laboratoire, on dispose d un set de données sur le banc d essai ainsi que des mesures réelles donnant des bilans satisfaisants. Le fichier EES original comprenant les questions est en annexe : <MER2006.EES> 6.3 Set de mesures et données par défaut pour le moteur ESSENCE à injection. Pour préparer le laboratoire, on dispose d un set de données sur le banc d essai ainsi que des mesures réelles donnant des bilans et des performances satisfaisants. Le fichier EES original comprenant les questions est en annexe : <XM2006.EES> Notes de labos moteurs_2006.doc 20